CN114347453A - 一种高压电缆模塑式接头交界面处理方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高压电缆模塑式接头交界面处理方法，具体操作如下：(1)等离子体处理交联电缆绝缘本体，处理后立刻进行绝缘料挤塑；(2)注满后进行硫化工艺，发生交联反应，所述硫化工艺包含3个升温和保温阶段过程；(3)反应结束后，冷却并保温消除内应力。本发明通过等离子体处理电缆绝缘表面，使表面的交联网络结构裂解从而降低空间位阻，同时产生大量的自由基，促进电缆绝缘表面和新注入的绝缘材料之间形成牢固的结合力，且不会过交联而影响本体的性能，提升了模塑式接头在高压工作下的电、力学性能。
Description
技术领域
本发明涉及电缆接头界面处理方法，具体涉及一种高压电缆模塑式接头交界面处理方法。
背景技术
高压交联电缆的使用量与日俱增，电缆附件作为电缆线路的重要组成部分亦不断增长。据不完全统计，在高压交联电缆输电线路故障发生的概率中，电缆附件的故障率约占70％，因此，电缆附件视为电缆线路的薄弱环节，其产品质量直接影响到电力系统的供电安全稳定性。目前，在国内高压交联电缆上使用的电缆中间接头附件主要有两大类：预制式接头和模塑式接头。其中，模塑式接头解决了预制式接头与电缆绝缘之间装配产生的活动界面问题，提供了一种更加稳定可靠的电缆连接方案，工程应用的案例逐年增多，应用的电压等级也不断升高。
模塑式接头的挤注硫化工艺是模塑式接头品质的关键和核心。主要过程是通过在完成导体连接和导体屏蔽模塑恢复之后，再交联电缆本体绝缘基础上进行绝缘材料的挤塑，随后进行升温交联硫化。110kV及以下电压等级模塑式接头由于接头绝缘层内电场强度较低，且新、老绝缘交界面范围较小，交界面结合力及其均匀性对于接头整体在宏观上电气性能的体现无明显影响。但对于，220kV及以上电压等级的交联电缆，尤其是500kV交联电缆，交界面的微小差异(例如局部粘接不良)，在投运过程中因热胀冷缩可能产生微气孔引发局放，并自交界面的树枝化通道进而发展至贯穿整个绝缘层的放电通道。此外，由于电缆主绝缘在生产时已经交联(交联度约80％)，材料由线性转化为网状结构分子链后，空间位阻增大，若电缆主绝缘与新挤注的接头主绝缘直接进行二次硫化，易使得绝缘材料过交联，从而影响材料界面性能。因此，如何有效改善高压交联电缆膜塑式接头交界面处的结合力，避免使用过程中绝缘性能的骤降，且不影响材料本身的力学性能，是亟需待解决的问题。
发明内容
本发明为了克服现有技术存在的缺点和不足，提供了一种高压电缆模塑式接头交界面处理方法，通过等离子体处理电缆绝缘本体(包含电缆接头处的绝缘表层)，提高与挤注的新绝缘材料接触的比表面积，同时绝缘本体材料的表层会裂解产生大量的自由基，与新绝缘材料在交界面处发生交联反应，进一步提高交界面分子间作用力，从而提高模塑式接头的电、力学性能。
为解决上述技术问题，本发明提供以下技术方案：
本发明提供了一种高压电缆模塑式接头交界面处理方法，所述处理方法包含在挤塑前对电缆绝缘本体进行等离子体处理。
进一步地，所述电缆为交联聚乙烯电缆。
进一步地，所述等离子体处理在完成导体连接和导体屏蔽模塑恢复后进行。
进一步地，所述等离子体的介质气体选自氮气、氦气、氩气中的一种或多种。
进一步地，所述等离子体的介质气体优选为氩气和氮气的混合气体。
进一步地，所述等离子体的介质气体中氮气与氩气的体积比为1:1-4。
进一步地，所述等离子体的介质气体中氮气与氩气的体积比优选为2:3。
进一步地，所述等离子体介质气体的流量为100sccm，放电功率为50w，处理时长为30s-5min；所述等离子体处理的腔室内真空度为20-50pa。
等离子体是由部分电子被剥夺后的原子及原子被电离后产生的正负电子组成的离子化气状物质，其能量范围大，可以使聚合物固体表面原有的化学键断裂，并生成大量自由基；此外使用等离子体进行表面处理较之溶剂法，更为环保。
采用不同组分气体作为介质气体进行等离子体处理效果不尽相同。例如，氧气等离子体中含有大量的活性离子，可能包含激发态氧分子、氧原子和氧负离子，氧化刻蚀作用占主导；氩气是惰性气体，氩原子不能直接接枝到绝缘材料(交联聚乙烯)表面的大分子链中，但是氩气等离子体中的高能粒子轰击材料表面，可使碳碳键和碳氢键发生断裂，并形成大量自由基。
通过控制等离子体处理过程的工艺参数，仅对电缆交联绝缘本体的表面进行处理，处理深度为几十至几百纳米，对材料本体的力学、绝缘性能几乎无影响。
进一步地，所述处理方法还包括挤塑注满后的硫化反应，包含以下3个阶段：
第一阶段：加热至120～125℃，保温15～20min；
第二阶段：加热至135～140℃，保温20～30min；
第三阶段：加热至175～180℃，保温8～12h。
上述第一、第二阶段为控制新注入的绝缘材料内自由基产生的速率，使新、老绝缘材料在交界面处形成良好的硫化交联反应，再进入第三阶段，使注入的新绝缘材料内产生大量自由基，从而自身硫化交联；通过上述阶梯升温、保温过程，使挤注的绝缘料自身以及与绝缘本体发生充分的交联反应。
等离子体常用以处理材料表面，通过在不同或相同材料之间形成氢键或范德华力来提高粘结性能，本发明通过等离子体处理绝缘本体的表面，产生大量自由基，结合后续的硫化反应，促进绝缘本体和新注入的绝缘材料发生交联，在绝缘本体和新绝缘材料交界处形成共价键，大大提高绝缘本体和新绝缘材料之间的结合力。
进一步地，选用集成等离子处理功能的挤注硫化模具，实现等离子体处理工序与挤塑、硫化工序连续进行。
进一步地，所述处理方法还包括挤塑注满、硫化反应后的冷却消除内应力过程，具体为：自然冷却至60～80℃，保温不低于8h。
交联反应结束后，需经冷却、保温处理以消除内部应力，这里冷却的温度若过低，则相应的除气效率低、效果差，若冷却点的温度过高，则会加速绝缘材料的老化，进而影响绝缘材料的使用寿命；因此，需将冷却点的温度控制在合适的范围(60～80℃)，达到排气效果的同时，不影响材料的老化性能。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
1.本发明通过等离子体处理电缆绝缘本体的表面，增大了绝缘表面的比表面积，进而增大了绝缘本体表面与新注入绝缘材料的接触面积；此外，电缆交联绝缘表层的交联网络结构因等离子的作用发生裂解从而降低了空间位阻，且在其表面产生大量自由基，结合后续的硫化反应，有利于促进绝缘本体与新绝缘材料在交界面处发生交联反应，提高交界面分子间的作用力，进而提高其热稳定性。
2.等离子体处理工序与挤塑、硫化工艺连续进行，克服了等离子体处理的时效性缺陷，使其效果最大化；其次，硫化反应时，阶梯式升温、保温过程，使绝缘本体与挤注的新绝缘材料以及新绝缘材料自身能够发生充分的交联反应，有利于提高整体力学性能。
附图说明
图1为采用混合气体等离子体处理电缆模塑式接头交界面(电缆绝缘本体)的示意图；
图2为模塑式接头主体的示意图；
图3为切片取样示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，以使本领域的技术人员可以更好地理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
实施例1
本实施例选用型号规格为YJLW03 127/220 1*2500的电缆，对其进行模塑式接头处理，具体处理过程如下所示：
(1)完成导体焊接和导体屏蔽模塑之后，用400目砂纸进行机械打磨，经电缆清洁纸擦拭，最后转移至集成等离子处理功能的挤注硫化模具中；
(2)使用氮气作为介质气体进行等离子体表面处理，流量为100sccm，腔室内真空度保持在20-50Pa，放电功率为50W，处理时长30s～5min。处理完成后，立刻向挤注口内进行绝缘料挤注，待挤注至出料口溢出后，依次封闭出料口和挤注口。按照硫化工艺要求，设置如下升温程序：加热至120℃左右保持15～20min，然后加热至140℃左右保持20～30min，最后加热至180℃左右保持12h，确保其进行充分的交联反应。经自然冷却至70℃，保温8h消除内部应力。再经自然冷却至室温后，打开腔体得到模塑式接头主体。
实施例2
本实施例选用型号规格为YJLW03 127/220 1*2500的电缆，对其进行模塑式接头处理，具体处理过程如下所示：
(1)完成导体焊接和导体屏蔽模塑之后，用400目砂纸进行机械打磨，经电缆清洁纸擦拭，最后转移至集成等离子处理功能的挤注硫化模具中；
(2)使用氩气为介质气体进行等离子体表面处理，流量为100sccm，腔室内真空度保持在20-50Pa，放电功率为50W，处理时长30s～5min。处理完成后，立刻向挤注口内进行绝缘料挤注，待挤注至出料口溢出后，依次封闭出料口和挤注口。按照硫化工艺要求，设置如下升温程序：加热至120℃左右保持15～20min，然后加热至140℃左右保持20～30min，最后加热至180℃左右保持12h，确保其进行充分的交联反应。经自然冷却至70℃，保温8h消除内部应力。经自然冷却至室温后，打开腔体得到模塑式接头主体。
实施例3
本实施例选用型号规格为YJLW03 127/220 1*2500的电缆，对其进行模塑式接头处理，具体处理过程如下所示：
(1)完成导体焊接和导体屏蔽模塑之后，用400目砂纸进行机械打磨，经电缆清洁纸擦拭，最后转移至集成等离子处理功能的挤注硫化模具中；
(2)使用氮气和氩气的混合气体为介质气体进行等离子体表面处理，氮气流量为40sccm，氩气流量为60sccm，腔室内真空度保持在20-50Pa，放电功率为50W，处理时长30s～5min。处理完成后，立刻向挤注口内进行绝缘料挤注，待挤注至出料口溢出后，依次封闭出料口和挤注口。按照硫化工艺要求，设置如下升温程序：加热至120℃左右保持15～20min，然后加热至140℃左右保持20～30min，最后加热至180℃左右保持12h，确保其进行充分的交联反应。经自然冷却至70℃，保温8h消除内部应力。经自然冷却至室温后，打开腔体得到模塑式接头主体。
实施例4
本实施例选用型号规格为YJLW03 127/220 1*2500的电缆，对其进行模塑式接头处理，具体处理过程如下所示：
(1)完成导体焊接和导体屏蔽模塑之后，用400目砂纸进行机械打磨，经电缆清洁纸擦拭，最后转移至集成等离子处理功能的挤注硫化模具中；
(2)使用氮气和氩气的混合气体为介质气体进行等离子体表面处理，氮气流量为40sccm，氩气流量为60sccm，腔室内真空度保持在20-50Pa，放电功率为50W，处理时长30s～5min。处理完成后，等待2小时，再向挤注口内进行绝缘料挤注，待挤注至出料口溢出后，依次封闭出料口和挤注口。按照硫化工艺要求，设置如下升温程序：加热至120℃左右保持15～20min，然后加热至140℃左右保持20～30min，最后加热至180℃左右保持12h，确保其进行充分的交联反应。经自然冷却至70℃，保温8h消除内部应力。经自然冷却至室温后，打开腔体得到模塑式接头主体。
实施例5
本实施例选用型号规格为YJLW03 127/220 1*2500的电缆，对其进行模塑式接头处理，具体处理过程如下所示：
(1)完成导体焊接和导体屏蔽模塑之后，用400目砂纸进行机械打磨，经电缆清洁纸擦拭，最后转移至集成等离子处理功能的挤注硫化模具中；
(2)使用氮气和氩气的混合气体为介质气体进行等离子体表面处理，氮气流量为40sccm，氩气流量为60sccm，腔室内真空度保持在20-50Pa，放电功率为50W，处理时长30s～5min。处理完成后，立刻向挤注口内进行绝缘料挤注，待挤注至出料口溢出后，依次封闭出料口和挤注口。直接加热至180℃左右保持12h，确保其进行充分的交联反应。经自然冷却至70℃，保温8h消除内部应力。经自然冷却至室温后，打开腔体得到模塑式接头主体。
对比例1
本实施例选用型号规格为YJLW03 127/220 1*2500的电缆，对其进行模塑式接头处理，具体处理过程如下所示：
(1)完成导体焊接和导体屏蔽模塑之后，用400目砂纸进行机械打磨，经电缆清洁纸擦拭，最后转移至集成等离子处理功能的挤注硫化模具中；
(2)使用干燥压缩空气为介质气体进行等离子体表面处理，流量为100sccm，腔室内真空度保持在20-50Pa，放电功率为50W，处理时长30s～5min。处理完成后，立刻向挤注口内进行绝缘料挤注，待挤注至出料口溢出后，依次封闭出料口和挤注口。按照硫化工艺要求，设置如下升温程序：加热至120℃左右保持15～20min，然后加热至140℃左右保持20～30min，最后加热至180℃左右保持12h，确保其进行充分的交联反应。经自然冷却至70℃，保温8h消除内部应力。经自然冷却至室温后，打开腔体得到模塑式接头主体。
对比例2
本实施例选用型号规格为YJLW03 127/220 1*2500的电缆，对其进行模塑式接头处理，具体处理过程如下所示：
(1)完成导体焊接和导体屏蔽模塑之后，用400目砂纸进行机械打磨，经电缆清洁纸擦拭，最后转移至集成等离子处理功能的挤注硫化模具中；
(2)直接向挤注口内进行绝缘料挤注，待挤注至出料口溢出后，依次封闭出料口和挤注口。按照硫化工艺要求，程序升温使其经历3个升温和保温阶段过程，分别为加热至120℃左右保持15～20min，然后加热至140℃左右保持20～30min，最后加热至180℃左右保持12h，确保其进行充分的交联反应。经自然冷却至70℃，保温8h消除内部应力。经自然冷却至室温后，打开腔体得到模塑式接头主体。
性能表征
①不同处理方式对电缆绝缘本体表面粗糙度的影响
对实施例1-3及对比例1-2中在去除电缆外护套、金属套、缓冲阻水带和电缆绝缘屏蔽层后，采用等离子体处理与传统打磨处理的方式对电缆主绝缘表面进行表面处理，处理后测量其表面粗糙度，结果如下表1所示：
表1粗糙度对比结果
由表1测试结果可知，与传统打磨处理相比，等离子体处理可降低电缆绝缘表面的粗糙度值，增大表面的比表面积，有利于可粘接性的提高。
②拉伸强度测试
取模塑式接头主体绝缘交界面处的绝缘层(两段)进行切片，一段为上、下切片取样，另一段为左、右切片取样，样片厚度为2mm。随后采用制样机获得哑铃型样条，并在交界面处用记号笔标记。采用万能试验机进行拉伸强度测试，拉伸速率为200mm/min，测试温度为23±2℃。计算拉伸强度时，样条厚度以实测为准，避免因样条厚度的偏差而影响测试结果的准确性。测试及计算结果如下表2所示：
表2各样品的拉伸强度测试结果
| 样品 | 断裂位置 | 拉伸强度(MPa) |
| 实施例1 | 均不在交界面处 | 14.81～17.78 |
| 实施例2 | 均不在交界面处 | 16.22～18.50 |
| 实施例3 | 均不在交界面处 | 17.43～19.35 |
| 实施例4 | 均不在交界面处 | 12.50～15.76 |
| 实施例5 | 均不在交界面处 | 14.65～18.92 |
| 对比例1 | 有部分样品断裂在交界面处 | 12.35～14.96 |
| 对比例2 | 有部分样品断裂在交界面处 | 10.42～13.49 |
由表2的拉伸强度的测试结果可知，较之对比例1、2，通过氮气、氩气或二者混合气体作为介质气体等离子体处理后模塑式接头(实施例1-3)在界面处的结合力更好。
③热延伸测试
交联度在很大程度上决定着交联材料的使用性能及使用寿命。因此，热延伸试验作为衡量交联度的重要技术参数之一，在产品质量检验中是必不可少的。热延伸项目不合格有以下两种情况:
(1)试样受热180s内失效。试样在低于200℃时就呈现出熔融状态，在较短时间(<180s)就发生熔断，这种情况说明样品交联聚乙烯(简称XLPE)绝缘交联度很低，其分子结构更接近非交联的线性结构；
(2)试样受热300s以后(部分甚至接近900s)失效。说明样品试样XLPE绝缘具有一定的交联度，但仍未达到标准要求。
故热延伸项目的不合格，本质上就是XLPE绝缘的交联度不够造成的。因此凡是能影响到XLPE绝缘交联度的因素，都是影响热延伸项目的因素。
为了对比不同处理方法的效果，选取实施例1-5及对比例1-2的样片(每个实施例或对比例取6个样品)进行热延伸性能试验(实验条件为200±3℃,0.20MPa，15min)，测试结果如下表3所示：
表3热延伸性能测试结果
由表3中热延伸性能试验结果可知，实施例3中采用氮气、氩气混合气体作为介质气体进行等离子体处理、且立刻进行硫化处理(阶梯式降温、保温程序设置)制备得到的模塑式接头，测试的6个样品均未发生熔断现象，荷载下延伸率较小且一致，另外对应样品冷却后的变形量较小，该现象说明实施例3中制备的模塑式接头满足性能需求。
以上所述实施例仅是为充分说明本发明而所举的较佳的实施例，本发明的保护范围不限于此。本技术领域的技术人员在本发明基础上所作的等同替代或变换，均在本发明的保护范围之内。本发明的保护范围以权利要求书为准。
Claims (10)
1.一种高压电缆模塑式接头交界面处理方法，其特征在于，在挤塑前，对电缆绝缘本体进行等离子体处理。
2.根据权利要求1所述的一种高压电缆模塑式接头交界面处理方法，其特征在于，所述等离子体的介质气体选自氮气、氦气、氩气中的一种或多种。
3.根据权利要求1所述的一种高压电缆模塑式接头交界面处理方法，其特征在于，所述等离子体的介质气体为氩气和氮气的混合气体。
4.根据权利要求3所述的一种高压电缆模塑式接头交界面处理方法，其特征在于，所述等离子体的介质气体中氮气与氩气的体积比为1:1-4。
5.根据权利要求4所述的一种高压电缆模塑式接头交界面处理方法，其特征在于，所述等离子体的介质气体中氮气与氩气的体积比为2:3。
6.根据权利要求1所述的一种高压电缆模塑式接头交界面处理方法，其特征在于，所述等离子体处理时长为30s-5min。
7.根据权利要求1所述的一种高压电缆模塑式接头交界面处理方法，其特征在于，所述处理方法还包括挤塑注满后的硫化反应；所述硫化反应包含以下3个阶段：
第一阶段：加热至120～125℃，保温15～20min；
第二阶段：加热至125～140℃，保温20～30min；
第三阶段：加热至175～180℃，保温8～12h。
8.根据权利要求1所述的一种高压电缆模塑式接头交界面处理方法，其特征在于，所述处理方法还包括挤塑注满、硫化反应后的冷却消除内应力过程。
9.根据权利要求8所述的一种高压电缆模塑式接头交界面处理方法，其特征在于，所述冷却消除内应力过程具体为：自然冷却至60～80℃，保温不低于8h。
10.根据权利要求1～9任一项所述的高压电缆模塑式接头交界面处理方法，其特征在于，所述等离子体处理与挤塑、硫化反应连续进行。
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